气吹式粮油作物脱出物清选悬浮速度测量装置设计与试验

侯华铭，崔清亮，郭玉明，张燕青，孙 灯，来思彤，刘俊丽

（山西农业大学工学院，太谷 030801）

0 引 言

农业物料的悬浮速度是指农业物料在竖直向上气流的作用下悬浮在某一高度时相对于气流的速度，其数值与气流的绝对速度数值相等。农业物料的悬浮速度是后续对其进行机械清选所必需的基础数据。国内学者通常采用 2种方法获得悬浮速度，一种是根据经验公式计算获得，另一种是借助试验装置测量获得。在物料悬浮速度理论计算研究方面，赵学笃等利用阻力系数和升力系数研究短茎秆在气流中的运动规律[1]，但其所作的短茎秆不发生转动的假设使其具有一定的局限性。吕子剑等利用分区悬浮速度公式计算球形颗粒的悬浮速度[2]，李骥等采用分区粒径判断法，借助VC++6.0开发工具实现对球形物料颗粒悬浮速度的快速计算[3]，刘娟等利用 Matlab软件中的Simulink组件和模糊逻辑控制器分析了球形颗粒物料在气流中的运动规律[4]。利用理论公式、编程语言和软件等工具计算物料悬浮速度具有快速、方便的优点，但农业物料个体差异性大，理想化的假设往往使计算不准确，实际应用具有一定的局限性。

在装置测量研究方面，国内学者利用悬浮速度试验装置测量农业物料的悬浮速度。试验装置主要由风机、风速调节装置、流场管路和测量装置组成，按其工作原理可分为吸气式和吹气式 2类。吸气式试验装置管路均竖直布置，风机位于装置上部，物料由装置下方被吸入管路内。风机多采用轴流风机，王维等采用离心风机[5]。使用的风速调节装置有可控硅直流调速装置[6]、百叶窗式风量调节机构[6-11]、单片机和电机驱动器组成的控制系统[12-14]、变频器[5]。使用的测量装置有毕托管和压力计组成的动压测量装置[6-11]、加野 KA31风速仪[15]、TES-1341热线式风速仪[5]。吸气式试验装置风机置于上部，装置整体过高，调节不便，结构繁复，调节、测量精度有限，功耗大。吹气式试验装置风机置于下部，管路结构有“L”型和竖直型两种。风机多采用离心风机，裴克等采用轴流风机[16]。使用的风速调节装置有可控硅整流器[17]、节气门[16]、变频器[18-22]。使用的测量装置有风速探针[17]、毕托管和微压计[16-17]或高灵敏微差压变送器组成的动压测量装置[18-19]、智能压力风速仪[20-22]。物料在气流吹动下的悬浮状态与实际机械清选工况相接近，测量更贴合实际，且功耗小，但现有的吹气式试验装置还存在管路曲折、调节、测量装置功能单一、结构复杂的问题。

为获取研究杂粮机械清选技术及装备所需的基础数据，鉴于现有试验装置存在的问题，本文设计了一种吹气式的农业物料悬浮速度试验装置，并使用该装置测量了谷子、荞麦、燕麦经联合收获脱粒后的待清选脱出物各组分的悬浮速度。

1 试验装置整体结构及工作原理

1.1 整体结构与技术参数

农业物料悬浮速度试验装置主要由风力及其调控部件、流场结构部件和测试部件 3部分组成，流场结构为竖直型，风力及其调控部件与流场结构部件在竖直方向上相连，测试部件安装于流场结构部件上，如图1所示，风力及其调控部件由离心风机、变频器、流场接头和保护网组成。流场结构部件由格栅管、整流格栅、法兰、盛料网、投料门、接料板、下稳流管、锥形观察管、上稳流管、阻料网等组成。测试部件由 L型毕托管、毕托管支架、智能压力风速风量仪、空气导管、悬浮高度标尺、观察台等组成。

装置主要技术参数如下：

外形尺寸（长×宽×高）：1.8 m×1.1 m×4.2 m

配套动力：7.5 kW

流速范围：≤ 40 m/s

下稳流管内径：240 mm

上稳流管内径：380 mm

锥形观察管倾角：4°

保护网、盛料网、阻料网规格为20目尼龙网

图1 试验装置结构图Fig.1 Structure diagram of testing device

1.2 工作原理

测量时，待测物料置于下稳流管内的盛料网上，启动风机，调节风机转速，使物料稳定悬浮于锥形观察管内某一高度范围内，风速仪测得锥形观察管下端的流速，通过悬浮高度标尺测得悬浮高度范围，换算可得该物料的悬浮速度。

2 关键零部件设计

2.1 风力及其调控部件的设计

常用的风机种类包括：轴流式风机、离心式风机和贯流式风机3种，轴流式风机风力分散，转速不宜过高，转速调节精度有限；贯流式风机形状过长；离心式风机风力集中，转速上限高，可精确调节转速[23-25]，综上选择离心式风机。通常根据所需的压力和流量选择风机型号，离心风机的全压：

式中ptF为风机全压，Pa；ps2为风机出口处静压，Pa；pd2为风机出口处动压，Pa；psF为风机静压，Pa；ε为管道固有阻力系数；v为流速，m/s；ρ为气体密度，kg/m3，20℃大气压的空气，ρ取1.2 kg/m3；qv为流量，m3/h；A为管道截面积，m2。

为测量多种农业物料的悬浮速度，设计最大流速vmax= 40 m/s，代入式（3）可得pd2= 960 Pa；根据流场管路结构参数和风机手册计算公式[26]计算可得ε= 1.65，代入式（2）可得ps2= 1 584 Pa；将pd2和ps2取值代入式（1）可得风机全压ptF= 2 544 Pa。设计与风机相连的管道内径为240 mm，则管道截面积A= 4.52×10–2m2，将A的取值与vmax代入式（4）得流量qv= 6 509 m3/h。根据所需的全压ptF和流量qv并考虑风机形状尺寸后选定 4-72 No 4.5A右90°型离心风机，配用7.5 kW变频调速三相异步电动机。采用变频器调节风机转速，根据电机功率选择7.5 kW变频器，所选变频器具有实时显示电机转速的功能，便于调节[27]。由于风机出风口为长方形，设计方变圆流场接头用于连接风机与流场管路。在风机进风口处设置 2层保护网，可避免漏撒在环境中的待测物料及杂质被吸入风机而影响气流的平稳，且可保障人员安全。根据待测物料的形状尺寸选用20目尼龙网作为保护网，阻挡物料及杂质的同时不会对风力造成较大影响。

2.2 流场结构部件的设计

流场结构部件主要由格栅管、下稳流管、锥形观察管和上稳流管在竖直方向上依次通过法兰连接而构成，上述 4管均为法兰与圆管焊接在一起的组合管，均采用有机玻璃制成。考虑到农业物料的个体差异性大，设计锥形观察管有利于同种物料稳定悬浮在其内的某一高度范围内。考虑到物料进行机械清选时的漂浮距离在2～3 m范围内，设计下稳流管、锥形观察管和上稳流管长度各为1 m。人工分选测量机械收获谷子、荞麦、燕麦的脱出物的形状尺寸后，设计下稳流管内径D= 240mm，可满足物料悬浮的空间要求。在下稳流管下端开设投料口，设置曲面门通过合页与管壁相连，投料门采用扁嘴搭扣锁闭。下稳流管与锥形观察管下端相连，为避免流速变化过大，锥形观察管倾角不宜过大，设计其倾角θ =4°，则根据空间几何原理计算后设计锥形观察管上端内径为380 mm。锥形观察管上端与上稳流管相连。

为避免风机出风口处出现旋涡而影响气流的平稳，流场接头上接内置圆形整流格栅的格栅管，如图2所示，该格栅采用有机玻璃板制成。根据风机手册中的标准格栅要求[26]，格栅高度h= 45%×D，圆整后设计h= 100 mm；为避免格栅对空气的阻力过大，设计格栅孔边长S=30 mm，格栅板厚度为2 mm。整流格栅安装在格栅管内。

图2 整流格栅结构图Fig.2 Structure diagram of airflow-smoothing grille

格栅管上接下稳流管，在格栅管与下稳流管之间的法兰连接处设置盛料网，盛料网采用20目尼龙网。在上稳流管上端设置阻料网，阻挡物料飘出而污染环境，阻料网同样采用20目尼龙网。设计接料板用于回收物料。

2.3 测试部件的设计

根据差压法测流速的原理[28]，采用L型毕托管[29]和DP2000-11型智能压力风速风量仪测量管路内的流速，将毕托管进气端伸入下稳流管内，其的全压和静压接头通过空气导管与智能压力风速风量仪相连。智能压力风速风量仪固定在毕托管下方的下稳流管管壁上，测量时其可实时显示温度、湿度、压力、流速和流量。在锥形观察管外设置悬浮高度标尺以观察悬浮高度范围，标尺长度与锥形观察管高度相等。在风速风量仪和标尺正对面设置观察台以便于观察及记录数据。

毕托管进气端经测试孔伸入下稳流管内，其进气孔朝下。测试孔位于下稳流管上端管壁上。在测试孔外设置毕托管支架，将毕托管管身置于支架的滑槽内并固定。毕托管将沿滑槽移动以测量管内横截面上不同位置处的流速。采用等面积圆环法确定测点位置，并在毕托管管身上标记刻线。根据相关测量标准[30]要求，因为D<300 mm，所以取测点数N= 6，如图3所示，将管道横截面等分为 3部分，测点位于每部分的面积等分线上，根据测点位置在毕托管上标记刻线。在每条等分线上取 2点即为测点，设等分线序号为i，则等分线半径

式中Ri为等分线半径，mm，i取1,2…n；R0为下稳流管横截面半径，mm；n为下稳流管横截面等分数。

图3 测点及刻线位置Fig.3 Positions of measuring points and marking lines

3 试验测量与分析

试验材料取自稻麦联合收割机收获谷子、荞麦、燕麦时的待清选脱出物，该脱出物由籽粒和多种轻杂物组成，不包含长茎秆。谷子品种为晋谷21号，荞麦品种为黑丰一号，燕麦品种为晋燕18号。迅速对收获后的脱出物进行人工挑选分类，如图4所示，并装入保鲜袋封存，测得脱出物各组分的含水率及籽粒形状尺寸和千粒质量如表1所示。

图4 3种作物脱出物各组分Fig.4 Each component of threshed materials of three crops

表1 3种作物脱出物各组分基本物性Table 1 Basic physical properties of threshed materials’components of three crops

由表 1可知，燕麦待清选脱出物中含有未脱皮籽，未脱皮籽不是轻杂物，应对其进行复脱以获得清洁籽粒。

参照种子悬浮速度测试标准[30]，鉴于同种物料个体质量不同，设计了分段悬浮试验：分别称取脱出物各组分10 g，装袋封存并编号；测量环境温度和湿度并记录；接通电源，将待测物料均匀铺撒在盛料网上，关闭投料门，将毕托管移至测点位置。悬浮第一阶段：缓慢转动变频器旋钮，观察锥形观察管内悬浮情况，待大约三分之一待测物料悬浮在观察管内某一高度范围时，停止转动旋钮；记录风机转速、流速v0和物料密集悬浮的高度范围[x1，x2]，如图5所示；依次将毕托管移至不同的测点，并记录流速。对不同测点所测的流速取平均值，记为；根据流量一定的原则，观察管内某一高度下的流速

式中vf为锥形观察管内某一高度处的流速，其数值等于物料的悬浮速度值，m/s；为所测流速的平均值，m/s；R为锥形观察管小端内半径，其值与下稳流管横截面半径值相等，mm；H为物料在锥形观察管内的悬浮高度，mm；θ为锥形观察管倾角，(°)。

将悬浮高度x1、x2代入式（6）可得物料悬浮速度范围。测完全部测点后，将毕托管移至初始测点。悬浮第二阶段：继续转动变频器旋钮，待大约三分之二的物料悬浮至锥形观察管内某一高度范围时，重复前述操作。悬浮第三阶段：最后继续转动变频器旋钮，待全部物料悬浮至锥形观察管内某一高度范围时，重复前述操作。测量完毕后，将接料板经投料口伸入下稳流管内，回转变频器旋钮至零位，使用板刷将落至接料板上的已测物料清理出下稳流管。试验结果如表2所示。

图5 试验测量示意图Fig.5 Schematic diagram of test measurement

表2 3种作物脱出物各组分悬浮速度Table 2 Suspension velocities of each component of three crops’ threshed materials (m·s–1)

由表 2可知，谷子脱出物籽粒、穗瓣、茎秆、叶子的悬浮速度分别是：4.29～8.88、1.03～6.48、1.71～6.09、1.03～3.09 m/s。荞麦脱出物籽粒、分枝、茎秆、叶子的悬浮速度分别是：4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s。燕麦脱出物籽粒、种皮、分枝、茎秆、叶子、未脱皮籽的悬浮速度分别是：4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56、3.24～9.48 m/s。谷子、燕麦脱出物中的籽粒与轻杂物在前两悬浮阶段的悬浮速度可以区分开；在悬浮第三阶段：谷子籽粒与其穗瓣和茎秆的悬浮速度有部分重叠，燕麦籽粒与其茎秆的悬浮速度有部分重叠；表明谷子、燕麦籽粒的悬浮速度可与其大部分轻杂物的悬浮速度区分开。谷子穗瓣上出现的脱不净或夹带籽粒的情况从侧面揭示了其与籽粒悬浮速度部分重叠的原因；燕麦籽粒的悬浮速度与其未脱皮籽的悬浮速度相接近，应对燕麦脱出物进行复脱或研制专用脱粒装置以获得清洁籽粒。荞麦脱出物中的籽粒与轻杂物在第一阶段的悬浮速度可以区分开；在后两阶段：荞麦籽粒与其茎秆、分枝的悬浮速度有部分重叠；表明荞麦籽粒的悬浮速度可与其小部分轻杂物的悬浮速度区分开。综上分析，叶子较轻，3种作物籽粒的悬浮速度均可与其叶子的悬浮速度区分开。茎秆较重，3种作物籽粒的悬浮速度均不能与其茎秆的悬浮速度完全区分开。

4 结 论

1）本文设计了一种吹气式的农业物料悬浮速度试验装置，风机直接与流场管路竖直相连，管路紧凑；管路内置整流格栅，并采用锥形观察管，流场平稳，可使物料稳定悬浮；该装置可用于作物经机械收获脱粒后的待清选脱出物各组分悬浮速度的测量。

2）试验测得收获期谷子、荞麦、燕麦经稻麦联合收割机收获后的待清选脱出物各组分的悬浮速度：谷子脱出物籽粒、穗瓣、茎秆、叶子的悬浮速度分别是：4.29～8.88、1.03～6.48、1.71～6.09、1.03～3.09 m/s；荞麦脱出物籽粒、分枝、茎秆、叶子的悬浮速度分别是：4.47～10.18、1.85～5.18、2.80～8.37、0.76～2.99 m/s；燕麦脱出物籽粒、种皮、分枝、茎秆、叶子、未脱皮籽的悬浮速度分别是：4.35～11.01、0.62～1.71、1.62～4.52、1.14～6.28、0.91～3.56、3.24～9.48 m/s。3种作物籽粒的悬浮速度均可与其叶子、种皮的悬浮速度区分开，但均不能与其他脱出物的悬浮速度完全区分开。

3）试验表明，谷子、燕麦籽粒的悬浮速度可与其大部分轻杂物的悬浮速度区分开，燕麦籽粒的悬浮速度与其未脱皮籽的悬浮速度相接近，应对其脱出物复脱或研制专用脱粒装置以获得清洁籽粒；荞麦籽粒的悬浮速度可与其小部分轻杂物的悬浮速度区分开；3种作物脱出物中的籽粒均不能仅通过风选与轻杂物完全区分开，需附加筛分装置辅助清选。

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